DE102004042927A1

DE102004042927A1 - Läufer für eine elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102004042927A1
Application number: DE102004042927A
Authority: DE
Inventors: Heinz Leiber; Thomas Leiber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-09-02
Filing date: 2004-09-02
Publication date: 2006-03-09

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Läufer einer elektrischen Maschine, der drehbar und/oder in axialer Richtung verschieblich in einem Stator gelagert ist, wobei der Läufer mindestens einen Permanentmagneten (1) hat, wobei mindestens ein umlaufendes Band (7) den Läufer (2, 8) mit seinem mindestens einen Permanentmagneten (1) radial von außen umschlingt und den mindestens einen Permanentmagneten (1) am Läufer (2, 8) hält.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Läufer einer elektrischen Maschine, der drehbar und/oder in axialer Richtung verschieblich in einem Stator gelagert ist, wobei der Läufer mindestens einen Permanentmagnet hat.
In elektrischen Maschinen, z.B. Drehfeldmaschinen mit Permanentmagneten ist die Befestigung der Magnete im Läufer von großer Bedeutung.

Bei den Läufern gem. der EP 1 375 815 und DE 103 09 776 sind die Permanentmagnete in Aussparungen des Läufers oder Rotors eingebettet und zusätzlich verklebt. Zur Einbettung der Magnete ist viel Weicheisen vonnöten, was ein erhöhtes Massenträgheitsmoment bzw. eine erhöhte bewegliche Masse zur Folge hat. Weiterhin schränkt die Einbettung die Anzahl der Polpaare ein und führt zu einer Begrenzung der Kraft- bzw. Drehmomententfaltung.

Bei anderen Konzepten, wie sie z.B. aus der DE 100 44 789 oder der DE 699 07 801 bekannt sind, sind die Permanentmagnete in einem Käfig eingelegt und aller Wahrscheinlichkeit nach verklebt, da eine andere Fixierung nicht erkennbar ist. Diese Verklebung stellt bei einer Beanspruchung über viele Betriebsjahre hinweg unter schwierigen Belastungen wie Stoß, Ölumgebung, erheblichem Temperaturniveau und Temperaturschwankungen ein erhebliches Risiko dar. Aufgrund der sehr kleinen Längenausdehnungskoeffiziente, insbesondere bei Neodynium-Magneten, sind bei Temperaturwechsel große Längenausdehnungsunterschiede die Folge und bei der Konstruktion zu berücksichtigen. Ein Lösen der Verklebung und Herausfallen der Magnete hat bei einem Verbrennungsmotor einen Totalausfall zur Folge.

Aufgabe der Erfindung ist, die bewegte Masse des Läufers weiter zu reduzieren und die Einspannung der Magnete langzeitstabil zu gestalten. Eine Anwendung sowohl bei rotatorischem als auch linearem Antrieb soll ermöglicht werden.

Diese Aufgabe wird mit einem Läufer mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen des Läufers ergeben sich durch die Merkmale der Unteransprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Läufer übernimmt das umlaufende Band die Fixierung bzw. Halterung der Permanentmagnete am Läufer. Zusätzliche seitliche Halteelemente halten den Permanentmagneten in seiner Position senkrecht zur Radialen. Die Haltelemente können vorteilhaft federnd ausgebildet werden, so dass auch bei größeren Fertigungstoleranzen die Permanentmagnete sicher in Position gehalten sind. Ebenso ist es alternativ oder zusätzlich möglich, die Permanentmagnete allein oder zusammen mit den seitlichen Haltelementen und/oder Teilen der Läufergrundkonstruktion mittels eines aushärtbarem Materials, wie z.B. Kunststoff, zu ummanteln. Ebenso ist es optional möglich, auch das umlaufende Band mit dem aushärtbarem Material zu ummanteln. Das Ummanteln kann mittels eines herkömmlichen Umspritzverfahrens oder Gießverfahrens erfolgen. Ebenso ist es möglich, die Permanentmagnete vorzugsweise metallisch zu ummanteln.

Das umlaufende insbesondere als Spannband ausgestaltete Band drückt die Permanentmagnete sicher gegen den Läufergrundkörper, wodurch die Permanentmagnete sicher in radialer Richtung fixiert sind. Dieses Band kann aufgepresst oder aufgeschrumpft werden.

Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
1: Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Läufer einer elektrischen Maschine;
2a: Schnitt durch den Außenbereich einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Läufers;
2b: Schnitt durch den Außenbereich einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Läufers;
2c: Schnitt durch den Außenbereich einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Läufers;
3a und 3b: Verschiedene Schnittdarstellungen einer alternativen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Läufers mit jeweils vier zwischen den Permanentmagneten angeordneten seitlichen Halteelementen;
4 und 4a: ummantelte Permanentmagnete.
Die 1 zeigt in vereinfachter Form die Erfindung. Zur übersichtlicheren Gestaltung wurde auf Details wie Spule usw. verzichtet. Die Permanentmagnete 1 sind in dem Läufergrundkörper 2, welcher die Mitnehmern 2a und 2b aufweist, gelagert, welche form- oder kraftschlüssig an der Stelle 3a mit der Welle 3 verbunden sind. Diese Welle kann sowohl rotieren als sich auch entlang ihrer Achse in den Lagern 6 linear bewegen und hierbei die Kraft übertragen, die aus den Magnetfeldern der Permanentmagnete und des Außenstators 4 und des Innenstators 5 entstehen. Entscheidend ist die Fixierung der Magnete über ein umlaufendes Spannband 7, welches die Magnete 1 fest auf die Mitnehmer 2a und 2b verspannt. Dieses Spannband 7 kann sowohl aufgepresst als auch aufgeschrumpft sein.
In Ergänzung zu den Mitnehmern 2a und 2b können zwei alternative Permanentmagnethalter 8a und 8b verwendet werden, welche in den 3a und 3b näher beschrieben werden. Im Bereich des Spannbandes 7 ist der Stator entsprechend ausgespart. Weitere Einzelheiten werden in den nachfolgenden Figuren beschrieben.
Die 2a zeigt einen Schnitt senkrecht zur Achse durch einen Permanentmagnet 1 einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Zur Vereinfachung ist die Anordnung eben und nicht gekrümmt gezeichnet. Der Permanentmagnet ist zwischen den seitlichen Halteelementen bzw. Stegen 9 eingebettet, welche Bestandteil der Mitnehmer 2a und 2b sind. Zwischen Steg 9 und Permanentmagnet muss ein Spiel s für die Fertigungstoleranzen von Mitnehmer, Permanentmagnet und den unterschiedlichen Längenausdehnungen bei Temperatureinfluss vorgesehen werden. Im oberen Teil ist der Steg 9 geteilt, wobei eine Lasche 9a in eine Aussparung 1a des Permanentmagneten gedrückt ist. Das Spannband 7 erzeugt eine Einspannkraft F_r in radialer Richtung.
Die 2b zeigt eine zweite Ausführungsform bei der die der Permanentmagnete mit Hilfe von eingespritztem Kunststoff, Gießharz oder Kleber 10 erfolgt. Die Hauptbefestigungskraft rührt auch hier vom Spannband 7. Die Aufgabe des Füllmaterial 10 ist es, die Spalte zwischen den seitlichen Halteelementen 9 und dem Permanentmagneten 1 auszufüllen und der Längenänderung der Temperaturausdehnung standzuhalten. Da die Permanentmagnete 1 durch den Schleifprozess sehr scharfkantig sind, empfiehlt sich eine entsprechende Rundung 2' im Mitnehmer 2.
Die 2c zeigt eine dritte Ausführungsform, bei welcher der Permanentmagnet 1 im Bereich 11 nahe der Mitnehmer 2 eingeschliffen ist. Das Füllmaterial 10 umschließt den Verbund und bettet den Permanentmagnet in allen Richtungen ein.
Alternativ kann auch eine beidseitige Umspritzung oder Verguß 10, 12 angewandt werden. Der Verguß 12 am Umfang kann auch durch einen Schrumpfschlauch ersetzt werden.
Die 3a zeigt eine federnde Einspannung des Permanentmagneten 1 im Läufer. Hierbei ist die Kontaktfläche zwischen Läufergrundkörper 2 oder 8 bzw. den Mitnehmern und dem Permanentmagneten auf einer Seite als federndes Halteelement F und auf der anderen Seite als fester Anschlag A ausgebildet. Bei der Montage wird der Permanentmagnet 1 in den Mitnehmer eingeklemmt und anschließend das Spannband 7 aufgepresst.
Die 3b zeigt einen Schnitt durch Ebene y der 3a, siehe 3a. In der Darstellung ist die Einspannung der Magnete 1 in den seitlichen Halteelementen A und F zu sehen. Dabei dient ein seitliches Halteelement A als Anschlag A und das andere Haleelement als Federn F. Anschlag A und Feder F sind abwechselnd angeordnet. Der große Vorteil dieser Lösung ist eine rein metallische Einspannung, die bei richtiger Dimensionierung absolut langzeitstabil ist.
Es ist empfehlenswert, die Permanentmagnete zu ummanteln und so die elektrische Maschine bzw. den Motor bei Bruch der Magnete vor Totalausfall zu schützen.
Die 4 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher der Magnet 1 allseitig von einem Mantel 13 eingeschlossen ist. Dieser Mantel 13 ist stirnseitig und längsseitig umgebogen und an verschiedenen Stellen 14 verklebt oder verschweißt.
Die 4a zeigt die Fixierung aus 3a und 3b in Kombination mit der Ummantelung aus 4. Die Umbiegung lässt sich zwischen Spannband 7 und Anschlag A anordnen.
Für alle vorbeschriebenen Ausführungsformen gilt, dass nahe beider Stirnseiten des Läufers weitere, wie in 5 dargestellt, weitere Spannbänder 25 eingesetzt werden können, welche vor allem bei hohen Drehzahlen die Fliehkräfte der Permanentmagnete abstützen.
Auch kann stirnseitig ein Ring 16 mit Stegen 17 zwischen den Magneten in eine Aussparung 18 der Ummantelung eingeklipst werden (s. 4), der Resonanzschwingungen der Magnete in tangentialer Richtung dämpft.
Die vorbeschriebenen beispielhaften Ausführungsformen stellen einen Läufer für ein breites Anwendungsspektrum bereit. Damit lassen sich Antriebe mit bisher nicht bekannter geringer beweglicher Masse gestalten, welche hierdurch eine hohe Kraftentfaltung, d.h. Leistungsdichte aufweisen.
Neue Anwendungsfelder lassen sich mit dieser Erfindung erschließen, wie ein elektromotorisch vollvariabler Ventiltrieb, eine elektrische Servolenkung, Gurtstraffer, elektrische Niveauregulierung sowie eine aktive Federung um nur einige zu erwähnen.

Claims

Läufer einer elektrischen Maschine, der drehbar und/oder in axialer Richtung verschieblich in einem Stator gelagert ist, wobei der Läufer mindestens einen Permanentmagnet (1) hat, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein umlaufendes Band (7) den Läufer (2,8) mit seinem mindestens einen Permanentmagnet (1) radial von außen umschlingt und den mindestens einen Permanentmagneten (1) am Läufer (2, 8) hält.
Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer einen Läufergrundkörper (2, 8) hat, der eine Läuferwelle (3) aufweist und die Permanentmagnete (1) trägt, wobei sich das Band (7) auf dem Läufergrundkörper (2, 8) abstützt.
Läufer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (2, 8) mindestens ein radial oder parallel zur Flächennormalen des Permanentmagneten nach außen gerichtetes seitliches Halteelement (9, A, F) hat, das einen Permanentmagnet (1) senkrecht zur Radialen bzw. tangential hält.
Läufer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass seitliche Halteelement (9, A, F) ein Steg, eine Wandung oder stabförmiges Teil ist, welches insbesondere an den Läufergrundkörper (2, 8) angeformt ist.
Läufer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das seitliche Halteelement (F) den Permanentmagnet seitlich druckbeaufschlagt.
Läufer nach einem der Ansprüche 3 bis 5, da durch gekennzeichnet, dass zwischen zwei benachbarten Permanentmagneten (1) mindestens zwei Halteelemente (A, F) angeordnet sind, wobei der eine Permanentmagnet an einem ersten Haltelement und der andere Permanentmagnet an dem zweiten Haltelement seitlich anliegt.
Läufer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei benachbarte oder aneinandergrenzende Permanentmagnete an einem seitlichen Halteelement anliegen.
Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Halteelement (8a) federnd ausgebildet ist, derart, dass es einen Permanentmagnet seitlich kraftbeaufschlagt.
Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Permanentmagnet seitlich zwischen mindestens zwei seitlichen Halteelementen eingespannt ist, wobei mindestens ein Halteelement (8a) federnd ausgebildet ist.
Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Permanentmagnet und dem seitlichen Halteelement ein Füllmaterial und/oder Kleber (10) ist.
Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer an seiner Mantelfläche eine der Anzahl der Permanentmagnete entsprechende Anzahl von radial nach innen gerichtete Vertiefungen zur Aufnahme der Permanentmagnete hat.
Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das umlaufende Band (7) über den Bereich des Läufergrundkörpers (2, 8) erstreckt und insbesondere an den Stator angepaßt ist.
Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer mit seinen Permanentmagneten zumindest bereichsweise mit einem aushärtbarem Material, insbesondere Kunststoff oder Harz, umspritzt bzw. ummantelt ist.
Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete zusammen mit den seitlichen Haltelementen und optional mit dem umlaufenden Band mittels eines aushärtbarem Materials ummantelt sind.
Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete jeweils mittels einer Umhüllung ummantelt sind und mit der Ummantelung zwischen den seitlichen Halteelementen, dem Band und der Außenwandung des Läufers einliegen.
Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Läufer stirnseitig ein Ring mit Stegen zwischen den Permanentmagneten in eine Aussparung der Ummantelungen einrastbar bzw. eingerastet ist.
Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nahe der Stirnseiten des Läufers weitere Spannbänder angeordnet sind.
Elektrische Maschine, einen Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweisend.
Elektrische Maschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische maschine eine Drehfeldmaschine oder ein elektromotorischer oder elektromagnetischer Aktuator ist.